Comprendre la métallurgie des tubes et tuyaux en acier

Les différents protocoles de test (Brinell, Rockwell, Vickers) ont des procédures spécifiques à l'élément testé. Le test Rockwell T est adapté pour vérifier les tubes à paroi légère en coupant le tube dans le sens de la longueur et en testant la paroi à partir de l'ID plutôt que de l'OD.

Commander des tubes, c'est un peu comme aller chez un concessionnaire automobile et commander une voiture ou un camion. Les nombreuses options disponibles de nos jours permettent à l'acheteur de personnaliser le véhicule de toutes sortes de façons : couleurs intérieures et extérieures, ensembles de garnitures intérieures, options de style extérieur, choix de transmission et systèmes audio qui rivalisent presque avec les systèmes de divertissement à domicile. Compte tenu de tous ces choix, vous ne vous contenteriez probablement pas d'un véhicule standard sans fioritures.

Les tubes en acier sont comme ça. Il est disponible dans des milliers de choix ou de spécifications. Hormis les dimensions, les spécifications indiquent la chimie et plusieurs propriétés mécaniques, telles que la limite d'élasticité minimale (MYS), la résistance à la traction ultime (UTS) et l'allongement minimal avant rupture. Cependant, de nombreux acteurs de l'industrie - ingénieurs, agents d'achat et fabricants - utilisent un raccourci accepté par l'industrie et demandent un tube soudé « ordinaire » et ne spécifient qu'une seule caractéristique : la dureté.

Essayez de commander une voiture par une seule caractéristique ("J'en ai besoin d'une avec une transmission automatique") et vous n'irez pas trop loin avec le vendeur. Il doit remplir un bon de commande, et il y a beaucoup d'options dessus. Les tubes en acier sont comme ça - pour obtenir le bon tube pour l'application, le fabricant de tubes a besoin de bien plus d'informations que la simple dureté.

Comment la dureté est-elle devenue un substitut accepté des autres propriétés mécaniques ? Cela a peut-être commencé avec les producteurs de tubes. Parce qu'un test de dureté est rapide, facile et nécessite un équipement relativement peu coûteux, les vendeurs de tubes ont souvent utilisé un test de dureté pour comparer deux tubes. Pour effectuer un test de dureté, ils avaient juste besoin d'une section lisse de tube et d'un banc d'essai.

La dureté d'un tube est bien corrélée à l'UTS, et à partir de là, une règle empirique, un pourcentage ou une plage de pourcentages, aide à estimer le MYS, il est donc facile de voir comment le test de dureté s'est imposé comme un proxy approprié pour d'autres caractéristiques.

De plus, les autres tests sont relativement compliqués. Alors qu'un test de dureté ne prend qu'une minute environ sur une seule machine, les tests MYS, UTS et d'allongement nécessitent une préparation d'échantillon et un investissement substantiel dans un équipement de laboratoire à grande échelle. À titre de comparaison, pensez en termes de secondes pour un test de dureté par un opérateur de tuberie et d'heures pour un test de traction par un technicien métallurgiste dédié. Faire un contrôle de dureté n'est pas difficile.

Cela ne veut pas dire que les fabricants de tubes techniques n'utilisent pas de tests de dureté. On peut dire sans risque de se tromper que la plupart le font, mais parce qu'ils effectuent des évaluations de répétabilité et de reproductibilité de la jauge sur l'ensemble de leur équipement de test, ils sont bien conscients des limites du test. La plupart des utilisateurs évaluent la dureté d'un tube dans le cadre du processus de production, mais ils ne l'utilisent pas pour quantifier les caractéristiques du tube. C'est simplement un test go/no-go.

Pourquoi avez-vous besoin de connaître le MYS, l'UTS et l'allongement minimum ? Ils indiquent comment le tube se comportera dans un assemblage.

Le MYS fait référence à la plus faible quantité de force qui provoque une déformation permanente dans un matériau. Si vous essayez de plier un peu une longueur droite de fil comme un cintre et de relâcher la pression, l'une des deux choses suivantes se produira : il reviendra à son état d'origine (droit) ou il restera plié. S'il est toujours droit, vous n'avez pas dépassé le MYS. S'il reste plié, vous l'avez dépassé.

Maintenant, saisissez les deux extrémités du fil avec des jeux de pinces. Si vous pouvez déchirer le fil en deux morceaux, vous avez dépassé son UTS. Vous mettez beaucoup de tension dessus et vous avez deux longueurs de fil à montrer pour votre effort surhumain. Si la longueur initiale du fil était de 5 pouces et que les deux longueurs après la rupture totalisent 6 pouces, le fil s'allongera de 1 pouce, soit 20 %. Un test d'allongement réel prend une mesure à moins de 2 pouces du point de rupture, mais peu importe - le concept de traction de fil illustre l'UTS.

Les échantillons de micrographie en acier nécessitent une coupe, un polissage et une gravure avec une solution légèrement acide, généralement de l'acide nitrique et de l'alcool (nital), pour rendre les grains visibles. Le grossissement à une puissance de 100 est courant pour examiner les grains d'acier et déterminer la taille des grains.

La dureté est un test de la façon dont le matériau réagit à un impact. Imaginez que vous mettiez une courte longueur de tube dans un étau, un avec des mâchoires dentelées, et que vous fermiez l'étau avec la manivelle. En plus d'aplatir le tube, les mâchoires de l'étau laissent des empreintes sur la surface du tube.

Les tests de dureté fonctionnent comme ça, mais ce n'est pas aussi grossier. Le test a une taille d'impact contrôlée et une pression contrôlée. Ces forces déforment la surface, créant une indentation ou une empreinte. La taille ou la profondeur de l'empreinte détermine la dureté des métaux.

Pour évaluer l'acier, les tests de dureté courants sont Brinell, Vickers et Rockwell. Chacun a sa propre échelle et certains ont une variété de méthodes de test, telles que Rockwell A, B et C. Pour les tubes en acier, la spécification ASTM A513 cite le test Rockwell B (en abrégé HRB ou RB). Le test Rockwell B mesure la différence de pénétration dans l'acier par une bille d'acier de 1⁄16 po de diamètre entre une précharge appliquée mineure et une charge majeure de 100 kilogrammes de force. Un résultat typique est HRB 60 pour l'acier standard à faible teneur en carbone.

Les spécialistes des matériaux savent que la dureté a une relation linéaire avec l'UTS. Par conséquent, une dureté donnée prédit l'UTS. De même, les producteurs de tubes savent que le MYS et l'UTS sont liés. Pour les tubes soudés, le MYS est généralement de 70 à 85 % de l'UTS. Le montant exact dépend du processus utilisé pour fabriquer le tube. Une dureté de HRB 60 correspond à un UTS de 60 000 livres par pouce carré (PSI) et à un MYS d'environ 80 % de celui-ci, soit 48 000 PSI.

La spécification de tube la plus courante pour la fabrication générale est la dureté maximale. Outre les dimensions, les ingénieurs sont soucieux de spécifier un tube de soudage par résistance électrique (ERW) tel que soudé dans une bonne plage de travail, ce qui peut entraîner une dureté maximale de HRB 60 peut-être sur le dessin du composant. Cette seule décision conduit à une gamme de propriétés mécaniques résultantes, y compris la dureté elle-même.

Premièrement, une dureté de HRB 60 ne nous dit pas grand-chose. La lecture, HRB 60, est un nombre sans dimension. Un matériau évalué à HRB 59 est plus mou qu'un matériau testé à HRB 60, et HRB 61 est plus dur que HRB 60, mais de combien ? Ce n'est pas quantifiable comme un volume (mesuré en décibels), un couple (mesuré en livres-pieds), une vitesse (mesurée en distance par rapport au temps) ou un UTS (mesuré en livres par pouce carré). La lecture, HRB 60, ne nous dit rien de précis. C'est une caractéristique du matériau, mais ce n'est pas une propriété physique. Deuxièmement, les essais de dureté ne se prêtent pas bien à la répétabilité ou à la reproductibilité. L'évaluation de deux emplacements sur un spécimen d'essai, même lorsque les emplacements d'essai sont proches l'un de l'autre, entraîne souvent des lectures de dureté qui varient considérablement. Ce problème est aggravé par la nature du test. Une fois qu'un emplacement a été mesuré, il ne peut pas être mesuré une deuxième fois pour vérifier le résultat. La répétabilité du test est impossible.

Cela ne signifie pas que les tests de dureté ne sont pas pratiques. En effet, il fournit un bon guide sur l'UTS du matériau, et c'est un test rapide et facile à réaliser. Cependant, toute personne impliquée dans la spécification, l'achat et la fabrication d'un tube doit être consciente de ses limites en tant que paramètre de test.

Parce que le tube "simple" n'est pas très bien défini, lorsqu'il est demandé, le fabricant de tubes le réduit souvent à deux des types de tubes en acier et en acier les plus couramment fabriqués définis dans la norme ASTM A513 : 1008 et 1010. Même après avoir éliminé tous les autres types de tubes, les possibilités de propriétés mécaniques dans ces deux types de tubes sont grandes ouvertes. En effet, ces types de tubes ont la plus large gamme de propriétés mécaniques de tous les types de tubes.

Par exemple, si le MYS est faible et que l'allongement est élevé, le tube est décrit comme souple, ce qui signifie qu'il fonctionnera mieux en termes d'étirement, de déviation et de distorsion permanente qu'un tube décrit comme dur, qui a un MYS relativement élevé et un allongement relativement faible. Ceci est similaire à la différence entre un fil souple et un fil dur, comme un cintre et un foret.

L'allongement en lui-même est une autre question qui fait une grande différence dans les applications de tubes critiques. Un tube à allongement élevé tolère les forces de traction ; celui avec un faible allongement est plus fragile et donc plus sujet à une défaillance catastrophique de type fatigue. Cependant, l'allongement n'est pas directement lié à l'UTS, qui est la seule propriété mécanique directement corrélée à la dureté.

Pourquoi les propriétés mécaniques des tubes varient-elles autant ? Tout d'abord, les chimies varient. L'acier est une solution solide de fer et de carbone, ainsi que d'autres alliages importants. Pour simplifier, nous ne traiterons ici que du pourcentage de carbone. Les atomes de carbone remplacent certains des atomes de fer, créant une structure cristalline d'acier. ASTM 1008 est le fourre-tout, le grade de départ et contient de 0 à 0,10 % de carbone. Zéro est un nombre très spécial, et il crée des propriétés uniques lorsque le carbone est très faible dans l'acier. ASTM 1010 a une teneur en carbone définie entre 0,08 et 0,13 % de carbone. Ces différences ne semblent pas être importantes, mais elles sont suffisamment importantes pour faire de grandes différences ailleurs.

Deuxièmement, les tubes en acier peuvent être fabriqués, ou fabriqués et transformés par la suite, selon sept procédés de fabrication distincts. ASTM A513, qui concerne la production de tubes ERW, appelle sept types :

1a. Laminé à chaud

1b. Laminé à chaud, mariné et huilé

2. Laminé à froid

3. Évier laminé à chaud

4. Évier laminé à froid

5. Tiré sur le mandrin

6. Diamètre intérieur lisse spécial

Si la chimie de l'acier et les étapes de fabrication du tube ne font pas toute la différence sur la dureté de l'acier, qu'est-ce qui le fait ? Répondre à cette question signifie examiner de près les détails. Cette question conduit à deux autres questions : quels détails et à quel point ?

Les détails concernant les grains qui composent l'acier est la première réponse. Lorsque l'acier est fabriqué à l'aciérie primaire, il ne refroidit pas pour devenir une vaste masse avec un seul ensemble de caractéristiques. Au fur et à mesure que l'acier refroidit, les molécules d'acier s'organisent en motifs répétés (cristaux), similaires à la formation des flocons de neige. Une fois les cristaux formés, ils s'agrègent en groupes appelés grains. Au fur et à mesure que le refroidissement progresse, les grains grossissent et se forment sur toute la feuille ou la plaque. Au fur et à mesure que les dernières molécules d'acier sont absorbées par les grains, les grains cessent de croître. Tout cela se produit au niveau microscopique, en ce sens qu'un grain d'acier de taille moyenne mesure environ 64 µ ou 0,0025 po de large. Bien que chaque grain soit similaire au suivant, ils ne sont pas identiques. Ils varient légèrement de l'un à l'autre en termes de taille, d'orientation et de teneur en carbone. Les interfaces entre grains sont appelées joints de grains. Lorsque l'acier se rompt, par exemple par une fissure de fatigue, il a tendance à se rompre le long des joints de grains.

À quelle distance devez-vous regarder pour voir des grains discernables ? Un grossissement de 100 fois, ou 100 fois plus aigu que la vision humaine, est suffisant. Cependant, le simple fait de regarder de l'acier non préparé à une puissance de 100 ne révélerait pas grand-chose. Les échantillons sont préparés en les polissant et en gravant la surface avec un acide, généralement de l'acide nitrique et de l'alcool appelé nital etch.

Ce sont les grains et leur réseau cristallin interne qui déterminent la résistance aux chocs, MYS, UTS, et l'étendue de l'allongement que l'acier peut supporter avant la rupture.

Les étapes de fabrication de l'acier, telles que le laminage à chaud et le laminage à froid de la bande, confèrent des contraintes à la structure du grain; s'ils changent de forme de façon permanente, cela signifie que les contraintes ont déformé les grains. D'autres étapes de traitement, telles que le laminage de l'acier en une bobine, son déroulement et son passage dans un laminoir à tubes (formation du tube et dimensionnement) déforment les grains d'acier. L'étirage à froid d'un tube sur un mandrin sollicite également le matériau, tout comme les étapes de fabrication telles que le formage et le pliage des extrémités. Un changement dans la structure du grain est appelé une dislocation.

Les étapes susmentionnées peuvent épuiser la ductilité de l'acier, qui est sa capacité à résister aux contraintes de traction (arrachement). L'acier devient cassant, ce qui signifie qu'il est plus susceptible de se fracturer si vous continuez à travailler l'acier. L'allongement est une composante de la ductilité (la compressibilité en est une autre). Ici, il est important de comprendre que les défaillances se produisent le plus souvent lors de contraintes de tension, et non de compression. L'acier est assez résistant aux contraintes de traction, car il a une capacité d'allongement relativement élevée. Cependant, l'acier sous contrainte de compression se déforme facilement - il est malléable - et c'est un avantage.

Comparez cela au béton, qui a une résistance à la compression très élevée mais une faible ductilité. Ces caractéristiques sont à l'opposé de celles de l'acier. C'est pourquoi le béton utilisé dans les routes, les bâtiments et les trottoirs est généralement installé avec des barres d'armature en acier. Le résultat est un produit qui bénéficie des avantages des deux matériaux : sous tension, l'acier est résistant et sous compression, le béton est résistant.

Lors du travail à froid, lorsque la ductilité de l'acier diminue, sa dureté augmente. En d'autres termes, il s'endurcit. Selon les spécificités de la situation, cela peut être un avantage ; cependant, cela peut être un inconvénient dans la mesure où la dureté équivaut à la fragilité. Autrement dit, à mesure que l'acier devient plus dur, il devient moins élastique; il est donc plus susceptible d'échouer.

En d'autres termes, chaque étape du processus consomme une partie de la ductilité du tube. Au fur et à mesure que la pièce a été travaillée, elle est devenue progressivement plus dure, et si c'est trop dur, c'est fondamentalement inutile. La dureté est la fragilité, et un tube fragile est susceptible de tomber en panne lorsqu'il est utilisé.

Dans un tel cas, le fabricant a-t-il des options ? Bref, oui. Cette option est le recuit, et même si ce n'est pas tout à fait magique, c'est à peu près aussi proche de la magie que possible.

En termes simples, le recuit annule tout ce que les contraintes physiques font aux métaux. Le processus chauffe le métal à une température de relaxation des contraintes ou de recristallisation, ce qui élimine les dislocations. Le processus restaure ainsi une partie de sa ductilité, ou la totalité de la ductilité, en fonction de la température et du temps spécifiques utilisés dans le processus de recuit.

Le recuit et le refroidissement contrôlé favorisent la croissance des grains. Ceci est bénéfique si l'objectif est de réduire la fragilité du matériau, mais une croissance incontrôlée des grains peut trop ramollir le métal, le rendant inutilisable pour l'application prévue. L'arrêt du processus de recuit est un autre élément de quasi-magie. Une trempe, effectuée au bon moment, avec la bonne trempe, à la bonne température, arrête rapidement le processus, capturant les propriétés restaurées de l'acier.

Doit-on renoncer à la spécification de dureté ? Non. Lors de la spécification de tubes en acier, les propriétés de dureté sont utiles principalement comme point de référence. Une mesure utile, la dureté est l'une des nombreuses caractéristiques qui doivent être spécifiées lors de la commande de matériau tubulaire et vérifiées lors de la réception d'un envoi (et elles doivent être enregistrées pour chaque envoi). Lorsqu'un contrôle de dureté est un critère d'inspection, il doit avoir la valeur d'échelle et les limites de contrôle appropriées.

Cependant, ce n'est pas un véritable test utilisé pour qualifier (accepter ou rejeter) le matériel. En plus de la dureté, les fabricants doivent parfois faire tester les expéditions pour déterminer les autres caractéristiques pertinentes, telles que MYS, UTS ou l'allongement minimum, en fonction de l'application du tube.

Wynn H. Kearns gère les ventes régionales pour Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, [email protected], www.indianatube.com.